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Dualité et forme quadratique [35 réponses] : ✯✎ Supérieur - 160184 - Forum de Mathématiques: Maths-Forum

Dualité et forme quadratique

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Ncdk
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Dualité et forme quadratique

par Ncdk » 16 Nov 2014, 13:21

Bonjour,

J'ai déjà posté cet exercice ailleurs, mais je viens sur mon habituelle forum d'aide, c'est plus chaleureux.

Exercice :

Soit q l'application de dans définie par :

avec appartenant à

1) a. Montrer que q est une forme quadratique.
1) b. Déterminer la forme bilinéaire associé à q, notée f.
1) c. Déterminer le rang et le noyau de f.

Soient les formes linéaires de , définies par :

, ,

2) a. Montrer que est une base du dual de
2) b. Déterminer les composantes dans la base canonique B de de la base duale de , noté C.
2) c. Déterminer la matrice de f dans C, notée . Déterminer une matrice P € telle que (où B désigne la matrice de f dans B).

Voici mes réponses :

1) a. Ok
1) b. Si je passe par une formule de polarisation, je connais que la méthode basique qui consiste à appliquer cette formule, hors dans mon cas les calculs sont à rallonge et j'ai l'impression de me tromper :mur:
Si vous avez une méthode rapide je suis preneur.


2) a.
Si je montre que forme une base, alors est une base du duale, cela suffit à dire ?

Ensuite pour la 2) b.
J'ai crée une matrice avec les expressions de que j'ai appelé D :

Donc si je fais Alors j'obtiens

Donc ensuite et pour finir

Ou bien pour la 2) a. Je dois trouver la matrice dans la base duale de .
Ensuite pour la 2) b. Donc je dois en fait appliquer ensuite et pour finir .

En remplaçant les valeurs sur les



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Ben314
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par Ben314 » 16 Nov 2014, 13:50

Salut, (je rallonge le post au fur et a mesure...)

1)b. : Il y a effectivement beaucoup plus rapide. Tu dit :
Considérons (tout à fait par hasard... :zen:) la fonction
On vérifie que c'est une forme bilinéaire symétrique (facile, mais... à justifier quand même) et que,
miraculeusement... f(x,x)=q(x).
Comme on sait qu'il n'y a qu'une seule forme bilinéaire symétrique associée à une forme quadratique , celle associée à ne peut être que .

1)c. Avec la définition, c'est très simple et très rapide (rang =2 ; noyau de dim 1 engendré par (1,1,-2))

2)a. "Si je montre que l_1,l_2,l_3 forme une base, alors l_1,l_2,l_3 est une base du duale, cela suffit à dire ?"
Déjà, ça veut pas dire grand chose tel quel.
- Au mini, pour que ça ait du sens, il faudrait écrire :
"Si l_1,l_2,l_3 est une base du dual de R^3, alors l_1,l_2,l_3 est la base duale d'une certaine base de R^3"
- Si le but, c'est de montrer (donc d'avoir comme conclusion) que l_1,l_2,l_3 est une base du dual de R^3, alors, c'est clairement la réciproque que tu risque d'utiliser, à savoir :
"Si l_1,l_2,l_3 est la base duale d'une certaine base de R^3 alors l_1,l_2,l_3 est une base du dual de R^3"
- Vu que tu connais déjà une base simple du dual de R^3, à savoir la base duale de la base canonique, c'est à dire celle formée des trois formes linéaires f1:x->x1 ; f2:x->x2 ; f3:x->x3 (où x=(x1,x2,x3)), le plus simple à mon avis, c'est d'exprimer tes trois formes en fonction de ces 3 là pour montrer que tes 3 formes constitue une base.

2b. Ta matrice D, c'est justement la matrice qui donne les coordonnées de l1, l2, l3 dans la base f1,f2,f3 (c.f. çi dessus) et c'et le fait que cette matrice soit inversible (donc sa transposée aussi) qui prouve que l1,l2,l3 est une base du dual de R^3.
Aprés, le calcul que tu fait pour trouver la base (l1',l2',l3') de R^3 qui a pour base duale (l1,l2,l3) est correct, mais j'ai l'impression que ton inverse est fausse (le produit de D^t par ton truc ne fait pas I3) : j'ai l'impression que c'est uniquement le 1 en bas à gauche qui devrait être un -1.
Ncdk a écrit: ensuite et pour finir
Ca, ç'est franchement pas clair ce que ça veut dire : c'est quoi les x'1, x'2, x'3 ?
l1, l2, l3 sont des fonctions de R^3 dans R, mais l1',l2',l3' eux, ce sont des vecteurs et le calcul que tu as fait, il montre que, par exemple, où e1,e2,e3 est la base canonique de R^3, c'est à dire, encore plus simplement, que
Ncdk a écrit: ensuite et pour finir .
Idem : ça veut encore moins dire grand chose. Vu que l'1 est un vecteur, je vois pas bien ce que peut signifier l'1(1,0,0).
La matrice qu'on te demande de calculer, c'est (par définition) celle qui contient les pour et elles est "triviale" à calculer vu que et que, par définition de la notion de base duale, (c'est une façon "pédante" de dire que le vecteur a toutes ces coordonnées nulles sauf la j-ième qui vaut 1 dans la base )
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 14:02

Ben314 a écrit:Salut, (je rallonge le post au fur et a mesure...)

1)b. : Il y a effectivement beaucoup plus rapide. Tu dit :
Considérons (tout à fait par hasard... :zen:) la fonction
On vérifie que c'est une forme bilinéaire symétrique (facile, mais... à justifier quand même) et que,
miraculeusement... f(x,x)=q(x).
Comme on sait qu'il n'y a qu'une seule forme bilinéaire symétrique associée à une forme quadratique , celle associée à ne peut être que .

1)c. Avec la définition, c'est très simple et très rapide (rang =2 ; noyau de dim 1 engendré par (1,1,-2))


Ce que tu définis par hasard, cela marche tout le temps donc par exemple prenons cette forme quadratique :


Ensuite il faut prouver c'est une forme bilinéaire symétrique donc que f(y,x) = f(x,y) et de refaire f(x,x), si l'on tombe sur q(x) alors c'est l'unique forme bilinéaire symétrique associée à cette forme quadratique ?

Cela se généralise ?

1) c. Je pense pas avoir de problème, enfin du coup avec la bonne forme f(x,y) c'est assez immédiat.

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Ben314
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par Ben314 » 16 Nov 2014, 14:19

Ncdk a écrit:(1) Ce que tu définis par hasard, cela marche tout le temps donc par exemple prenons cette forme quadratique :


(2) Ensuite il faut prouver c'est une forme bilinéaire symétrique donc que f(y,x) = f(x,y) et de refaire f(x,x), si l'on tombe sur q(x) alors c'est l'unique forme bilinéaire symétrique associée à cette forme quadratique ?

(3)Cela se généralise ?
(1) mauvaise "intuition" : ta fonction qui contient du n'est pas linéaire en et tu as .
Ici, partant de , il faut "intuiter" ce qui est légèrement moins... intuitif...
(2) Oui, mais ne pas oublier de montrer que f est bilinéaire (si elle est symétrique, il suffit de montrer qu'elle est linéaire "en " par exemple)
(3) Oui : Assez fréquemment, rien qu'en regardant la forme quadratique, on "intuite" la forme bilinéaire associée.
Evidement, si on "intuite pas", ben... on utilise la formule de polarisation...
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 14:41

Ah d'accord, mais en ce qui concerne l'intuition, c'est à force de manipuler des formes quadratiques ou il y a une technique spéciale, quelque chose qui fait qu'on peut la trouver rapidement, du moins plus rapidement que la formule de polarisation :) ?

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par zygomatique » 16 Nov 2014, 14:55

Ce qui est affirmé sans preuve peut être nié sans preuve. EUCLIDE

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par Ben314 » 16 Nov 2014, 14:58

Ncdk a écrit:Ah d'accord, mais en ce qui concerne l'intuition, c'est à force de manipuler des formes quadratiques ou il y a une technique spéciale, quelque chose qui fait qu'on peut la trouver rapidement, du moins plus rapidement que la formule de polarisation :) ?
Dans les cas ou tu as la formule donnant q, tu remplace les de q par des de q et les par des et tu peut tout à fait démontrer de façon "carrée" que ça marche à tout les coups.
Après, de façon à peine plus générale, si dans q tu as du est une forme linéaire, tu le "remplace" par dans la forme bilinéaire et, si tu avait du dans q (où et sont des formes linéaires), tu le remplacerait par .
A chaque fois, tu peut montrer que c'est bien ça en utilisant la formule de polarisation ou bien en vérifiant simplement que le truc en question est bilinéaire et vérifie f(x,x,)=q(x).
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par Ben314 » 16 Nov 2014, 15:01

oui, mais... il a été honnête :
Ncdk a écrit:J'ai déjà posté cet exercice ailleurs...
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 15:07

Je vais revenir sur la deuxième partie de l'exercice, vu que tu as répondu, honnêtement la notion de base du dual je comprends pas trop, c'est vague.

Prenons la question 2) a.

En fait je sais pas exactement ce qu'elle demande, moi mon idée première c'est déjà de prouver que est une base. A partir de ce moment là on connait la matrice donc c'est :



En fait la première colonne c'est en ainsi de suite...

Maintenant pour prouver que c'est une base du dual de pour moi ça signifie de trouver la matrice telle que et pareil pour est une base du dual de

Sur mon exercice j'aurai répondu ça en fait, donc pour trouver la matrice, j'aurai tout simplement fait :

Ensuite, pour la question 2) b.

J'ai obtenu ma matrice dans la base duale de Donc j'obtient 1ère colonne de ma matrice et ainsi de suite. et après il me suffit de faire ensuite puis

Après pour la 2) c. je n'ai pas encore réfléchit, mais en gros c'est ce que j'aurai fait tout seul :)

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par Ben314 » 16 Nov 2014, 15:24

Justement, ta base "toute trouvée" du dual, c'est la base duale de la base canonique dont je te parle dans le 1er post, c'est à dire la base (f1,f2,f3) où f1(x)=x1 ; f2(x)=x2 et f3(x)=x3.
Ca te permet, au lieu d'écrire que l1(x)=x1+x2+x3, d'écrire l1=f1+f2+f3 qui est (légèrement) plus court, mais surtout, ça te permet de dire que l1 a pour coordonnées (1,1,1) dans la base (f1,f2,f3) et c'est de là que sort en fait ta matrice N (qui est la matrice de passage de (f1,f2,f3) à (l1,l2,l3))

Après, il faudrait aussi que tu t'entende sur qui sont les l1', l2', l3'.
Vu ton premier post ou tu les déduit du calcul de , j'étais persuadé qu'il s'agissait de vecteurs et pas de forme linéaires...
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 15:37

J'ai compris la technique pour la 1ère partie avec les formes quadratiques, donc on peut dire que 1) c'est bouclé.

Pour la partie 2),

Si je te suis la matrice N de passage c'est celle que j'ai obtenu plus haut que j'avais noté ? ou c'est simplement la ?

Pour moi si je suis bien la matrice que tu appelles N, enfin la matrice de passage, c'est , car ce que l'on veut c'est exprimer dans la base d'ou la transposé.

EDIT : Dans le 1er post je me suis trompé pour les oublie ce que j'ai marqué en fait x)

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par Ben314 » 16 Nov 2014, 15:44

Concernant le N de mon précédent post, c'est une faute de frappe : c'est D qu'il falait lire (j'ai corrigé)
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 15:51

Du coup j'ai relu mon cours car je savais plus trop ou j'étais.

En fait voila, la base duale de c'est par définition, en fait c'est ce qu'il faut faire dans la question 2) a. non ? J'ai pas l'impression de comprendre les questions c'est ça surtout. x)

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par Ben314 » 16 Nov 2014, 16:07

Concernant les notation (vérifie dans ton cours), c'est en général plutôt le contraire, c'est à dire que les vecteur de la base de R^3 sont notés "normalement" et que les vecteurs de la base duale (qui est une base du dual de R^3) sont notés avec des * (en fait ça ne change rien, mais au début, il vaut mieux ne pas trop "tout mélanger").

Si c'est bien ça (ci dessus) les notations de ton cours, alors dans l'exo, on a notre base du dual de R^3 et on cherche une base de R^3 telle que , , .
Pour se faire, on utilise le fait que, si on a deux bases de R^3 B et B' et que la matrice de changement de base de B à B' est Q alors B* et B'* sont des bases du dual de R^3 et la matrice de changement de base de B* à B'* est (Qt)^{-1}.
Ici, ce qu'on connait, c'est N=(Qt)^{-1} (on connait la base duale) et on cherche Q (on cherche la base de départ) et, comme par hasard, la formule N=(Qt)^{-1} équivaut à Q=(Nt)^{-1}.
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 16:25

Donc en fait, Si on note notre base, et que l'on veut trouver sa base duale que l'on notera , Alors la matrice de passage de la Base canonique B à B' c'est ni plus ni moins la matrice D.

Tel que

Donc

et

Donc et puis

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par Ben314 » 16 Nov 2014, 16:47

Concernant les calculs, c'est exactement ça.
Après, pour les notations, moi, j'aurai à priori pas mis les * ou tu les as mise (mais ça dépend de ce que tu as vu en cours et des notations du cours donc... tu regarde...)
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 16:50

Mon raisonnement est l'exacte réponse de la 2) b. ou c'est juste la 2) a. ?

Tu l'aurais noté comment ?

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par Ben314 » 16 Nov 2014, 17:16

Je te l'ai déjà mis au dessus :
A la place de ça :
Ncdk a écrit:Donc en fait, Si on note notre base, et que l'on veut trouver sa base duale que l'on notera , Alors la matrice de passage de la Base canonique B à B' c'est ni plus ni moins la matrice D.
J'aurais écrit :
modif a écrit:Donc en fait, si on note notre base du dual de R^3, et que l'on veut trouver la base de R^3 ayant comme base duale B'.
Alors la matrice de passage de la Base duale B* de la base canonique de R^3 à B' c'est ni plus ni moins la matrice D.
En fait, mon problème au niveau des notations, c'est que tu parle de la base duale d'une base B' qui est une base du dual de R^3.
Donc en fait, la base duale de B', c'est une base du dual du dual de R^3. :doh:
Et c'est là que je suis pas certain que tu ait déjà rencontré la notion de "dual du dual de R^3" (qui est en fait bêtement égal à R^3, mais au départ, c'est pas totalement intuitif... :hein: ) et c'est pour ça qu'il me semble préférable de ne pas parler de "la base duale de B' " (qui est une base du dual du dual de R^3) mais plus simplement de "la base qui a pour duale la base B' " (qui elle est une base de R^3)
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par Ben314 » 16 Nov 2014, 17:24

En fait je viens de tout bien relire l'énoncé :
Ncdk a écrit: est une base du dual de
2) b. Déterminer les composantes dans la base canonique B de de la base duale de , noté C.
Et il y est effectivement fait référence à "la base duale de (l_1,l_2,l_3)", c'est à dire à la base duale d'une base du dual de R^3.
Donc ta rédaction va parfaitement.

Et (pour le moment), ne te complique pas la vie avec des histoires de "dual du dual" : considère simplement quel lorsque B* est la base duale de B, on a aussi le droit d'écrire que B est la base duale de B* (tu comprendra plus tard pourquoi ce n'est pas gênant)

BILAN : les post au dessus ou je te parle de ça, tu oublie : ça risque de t'embrouiller...
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par Ncdk » 16 Nov 2014, 17:25

EDIT : Pour la notation en fait, on est ok, c'était bien le duale du duale, donc on est ok au final :)

Du coup, j'aimerai reprendre les questions, pour savoir y répondre, j'ai croisé plusieurs fois ce type de question dans des exercices "bateaux" comme celui-là sur mes TD, donc je voudrais comprendre totalement ce qu'on me demande de faire et comment y répondre rigoureusement :)

2) a. On prouve déjà que est une base de , ensuite il faut montrer que c'est une base du dual de , donc on fait simplement ma réponse précédente, enfin dans les anciennes réponses, on s'arrête simplement à , si est différent de 0, alors on a finit la question non ?

2) b. C'est la suite de ma précédente réponse, donc on inverse puis on "lit" la matrice obtenue et ces composantes forment une nouvelle base notée C.

2) c. Je ne vois pas comment procéder. ^^

 

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